淺議模塊化建造在準噶爾氣田深冷工程中的應用研究

謝虎，劉明明，韓凌，艾文婷，朱建雄

（新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000）

新疆油田某凝析氣田深冷工程擬建地位于準噶爾盆地古爾班通古特沙漠腹地，冬季平均氣溫-30℃以下，春季平均風力6級左右，有效施工期220天。由于工程建設計劃工期短、單項工程數量多、工藝控制設計難度大，如果使用傳統建設模式且在要求時間內完成，對于設計和施工均有較大難度。為改變這種現狀，新疆油田某凝析氣田天然氣處理站首次在大型深冷裝置建設工程中采用模塊化建設模式，通過先進的三維技術完成工程模塊化設計，依據設計模塊模型和圖紙，在符合制造要求的工廠分別對模塊進行建造，然后運輸至建設現場進行組裝，減小了冬季對工程建設現場進度的影響，解決了全年有效施工周期短、現場許可作業多、施工總量大的問題，為后續集團公司實施工程建設積累了寶貴經驗。

1 模塊化設計與組裝

1.1 模塊布局與三維設計

模塊布置過程中，結合場地面積限制、工藝控制設計，分子篩脫水模塊和深冷凝液回收模塊兩個單元集中布置在增壓單元和儲罐單元之間，盡量避免兩個單元與其他單元之間管道連接過長、繞彎過多，達到降低施工材料消耗過大和生產過程介質壓力損失過多的目的。

傳統的平面設計，存在效率低、不易修改、易出現錯漏碰缺等問題。本工程采用三維軟件設計技術，模擬施工現場進行模塊碰撞檢查，優化模塊結構、工藝設計，對提高設計質量和效率起到非常重要的作用。三維設計模型如圖1所示，整個裝置分為三層。

圖1 三維設計模型

（1）鋼結構設計。使用PDMS建立鋼結構設計模型，對梁、柱、支撐等節點進行設定，并將工藝荷載加入到模型，與整體結構進行關聯；為達到工藝設計要求，還需對土建自身荷載以及其他相關荷載進行補償。同時，使用PSI將三維模型導入STAAD.Pro軟件進行有限元法分析，以保證模型參數符合工程設計標準。經過設計調整、結構優化，所有結構的最大計算應力比按0.85進行控制，連接采取“梁——梁”拼接的形式，并在運往現場前進行預安裝，以校核所有構件的精確性，確保在運輸、吊裝時鋼結構的整體性，提高現場施工安裝時效及精準率。

（2）管道設計。利用PDMS管道元件庫模塊的配置，在可視化界面下，配置和建立工程各模塊所需要的管道材質、壓力參數和保溫、伴熱等級。根據各模塊功能不同，直接使用按照設計要求完成配置的管道，按照各模塊工藝流程進行管道布置，對配置完成的管道進行人工檢查和碰撞檢查，檢查是否符合工藝設計要求、布置是否方便操作和維修、管道與管道、設備、平臺等是否有碰撞，有效降低了設計缺陷。同時，本工程通過PDMS軟件的專用接口，利用Fluent軟件進行應力和降壓分析，為合理規劃管線布置，在設備、機泵管口作用力和力矩不超出允許值的情況下，以最少的管道組成件，最短的長度將管道連接起來，使模塊內管道材料消耗減少27%。

（3）模塊尺寸設計。模塊尺寸設計需要考慮工廠和施工場地之間道路運輸條件、運輸車輛、施工現場吊具能力等因素。通過考察工廠至施工場地的陸運運輸能力，根據道路大型物件運輸管理辦法要求，結合運輸車輛情況和施工現場機械吊具能力，最終確定本工程將模塊拆分為長度小于15m，寬度小于3.5m，高度小于3.5m，便于長距離運輸與施工現場吊裝。

（4）模塊拆分設計。模塊拆分遵循從大到小的原則，根據制造工廠作業能力，將單元模塊進行逐一拆分，直至拆分至最小結構——預制件。該工程將兩個單元共拆分5個子模塊、27個橇塊、約8萬個預制件，如圖2所示。分子篩脫水單元整體模塊設計尺寸：38×12×7.25m，分為兩層鋼結構模塊，采用聯合平臺形式設計，脫雜質過濾器撬模塊采用橇裝化平臺與分子篩塔子模塊連通，共拆分3個子模塊12個橇塊、約3.6萬個預制件。

圖2 分子篩脫水單元三維模塊拆分

深冷凝液回收單元整體模塊設計尺寸：28×12.8×7.25 m，分為三層鋼結構模塊化設計，其中泵撬模塊在一層平臺，重沸器類撬模塊在二層平臺，回流罐類撬模塊在三層平臺；空冷器類單體模塊布置在管廊上方，形成管廊空冷器模塊；共拆分2個子模塊15個橇塊、約4.4萬個預制件，如圖3所示。

圖3 深冷凝液回收單元三維模塊拆分

1.2 模塊組裝

本工程橇塊是由多個預制件和設備設施拼接形成，如：管道、法蘭、彎頭、閥門、鋼結構、儀表、功能設備等。所有橇塊預制時，工廠工程師先用水平儀進行測點，確認模塊建造場地水平面。建造工人按施工圖完成模塊鋼結構的組裝，結構內部管道走向和設備的安裝，則按圖紙和3D模型相結合的方式進行，在主體設備未到貨的情況下，預留出與設備連接的管線以及跨橇塊管線的法蘭接口，當橇塊內管道和設備完成組裝后，再進行儀表類的安裝。子模塊預制是在所有單個橇塊組裝完畢，按垂直一層、垂直二層、垂直三層的順序分層進行，待橇座回廠后，主體設備就位，組合配管，完成各子模塊的一層、二層、三層橇塊在車間內完成組裝與跨橇配管，并進行分層位置各結構立柱的檢測、記錄和編號。以本工程深冷凝液回收裝置分餾模塊組裝過程為例，如圖4和圖5所示，分餾模塊MO-0102由加熱重沸回流子模塊SK-0104ABC、冷卻重沸回流子模塊SK-0105ABC以及樓梯子模塊SK-0106組成，共分為三層。首先，將SKID-4506底層與SKID-4504A和SKID-4505A連接在一起；其次，把SKID-4504B和SKID-4505B放置在SKID-4504C和SKID-4505C上面，與SKID-4506第二層連接；最后，SKID-4504C和SKID-4505C放在三層，與SKID-4506頂層連接。橇塊在每層組裝時，進行跨橇塊之間管道法蘭、鋼結構和與樓梯子模塊SK-0106的螺栓連接，最終形成分餾模塊MO-0102。

圖4 子模塊組裝圖

圖5 分餾模塊組裝圖

1.3 精準化復裝

在工程模塊裝置回裝前，確保所有橇塊及散運部件均已運抵安裝現場，檢查橇內所有部件完好穩固，施工吊具機械就位，橇塊土建基礎找平已經完成，對一層橇塊、塔器設備基礎地腳螺栓進行一次、二次灌漿硬化，待二次灌漿達到復裝強度要求以后，利用吊機完成各類塔器設備的最終就位，待塔器設備安裝完畢后，各橇塊按照布置好的位置進行復裝。首先，按照各子模塊在工廠組裝的順序分層進行；其次，逐步完成各橇塊之間的管道法蘭連接、未保溫部分施工、管線伴熱保溫的安裝以及橇外散運管線、支架、設備平臺、爬梯的回裝；最后，安裝塔器設備外部與各模塊裝置之間的交接口法蘭、焊接外部工藝管線以及電氣儀表橇塊外的接線工作。同時，對裝置內管線設備防腐、絕熱進行施工和修補。

以分子篩脫水裝置復裝為例，如圖6所示，該裝置各橇塊則按照從下往上的復裝方式，粉塵過濾模塊MO-0003位于分子篩脫水塔和脫固體雜質塔之間，先將該模塊的兩個橇模塊SKID-0005B和SKID-0004B置于一層，再將剩余兩個橇塊SKID-0005A和SKID-0004A置于SKID-0005B和SKID-0004B上方，組成粉塵過濾模塊MO-0003；閥組子模塊位于分子篩脫水塔前方，SKID-0003A放置一層，SKID-0003B置于二層；換熱分離子模塊MO-0001位于分子篩脫水塔右側，橇塊SKID-0002B和SKID-0001B擺放至一層，SKID-0002A和SKID-0001A安裝在二層。最后，將再生氣壓縮機橇與空冷器分別吊裝至施工圖安裝位置。當所有設備、模塊、塔器都擺放到位后，進行塔器設備外部與各模塊裝置之間的交接口法蘭安裝、焊接外部工藝管線以及電氣儀表橇塊外的接線工作，對裝置內管線設備防腐、絕熱進行施工和修補。

圖6 分子篩脫水裝置3D模型復裝順序圖

2 應用效果

深冷工程建設主體裝置依托工廠建造（如圖7所示），廠內以流水線作業和數控加工的方式，在33天內完成約8萬個預制件加工和27個橇塊制造，焊接驗收無損檢測一次合格率高達98%。工廠內施工不會因冬季環境溫度低影響工程進度，建設工期從計劃490天縮短至240天，節約工期51%，提前增效約2600萬元。

圖7 模塊化建設模式與傳統建設模式工期比較圖

模塊化建造模式主要特點：一是三維模型設計；二是工廠化建造。工廠化建造是將現場施工最大限度地轉移到工廠，通過三維模型拆分，將一個大型裝置分解成多個模塊或預制件進行加工、制造，以拼插、焊接的方式在擬建場地進行回裝。如圖8所示，以傳統模式工程土建、管道安裝、材料加工等方面施工量計算，該模式減少現場施工總量約50%。

圖8 模塊化建設模式與傳統建設模式現場對比圖

模塊化建設模式由過去橫向建設轉變為現在縱向搭建，單項工程建設地面積比計劃用地面積減少約41%。工廠化建造最大化減少現場施工總量，降低了人員、大型設備的租賃費用，節約了資金成本。

3 結語

未來石油石化工程建設趨勢是以一個個單體模塊，通過拼插、焊接的方式組建。新疆油田某凝析氣田天然氣處理站深冷工程采用模塊化建設模式，通過三維設計將單項工程合理拆分為27個橇塊轉移到工廠制造，規避了冬季無法施工和沙漠風沙對焊接質量影響的難題。與傳統建設模式相比，該模式不僅有效提高了工程建設質量，而且縮短了建設工期、節約了投資成本，對中石油北方特殊環境地區油氣田工程建設具有重要的現實意義。